В плену виртуализации

С какими вызовами в долгосрочном плане может столкнуться электроэнергетика
16.06.2015
Иван Рогожкин

Двадцатого мая 2015 г. корпорация Intel отметила 50-летие закона Мура, описывающего развитие микроэлектроники и вычислительной техники. Что это за закон? В 1965 г., на заре микроэлектроники, один из основателей Intel инженер Гордон Мур обнаружил и отметил, что в новых моделях микросхем, выпускаемых примерно каждые полтора года, число транзисторов удваивается. Гордон Мур предположил, что, если эта тенденция сохранится, мощность вычислительных устройств за относительно небольшой промежуток времени может вырасти во многие тысячи раз. С тех пор формулировку закона Мура несколько раз уточняли, но в целом, как оказалось, он исправно действует уже полвека.

Какое значение это имеет для энергетики? Немалое, поскольку энергосбережение, как долгосрочная тенденция, в немалой степени опирается на прогресс в компьютерной технике. Например, многочисленные приводы насосов на станциях водоканалов и в тепловых пунктах сегодня заменяются на частотно регулируемые, основанные на микропроцессорах. Кстати, светодиоды, которые помогают нам экономить на освещении, - тоже продукт микроэлектронных технологий.

Это, так сказать, видимая часть айсберга. Невозможно даже посчитать, сколько миллионов тонн различных материалов было сэкономлено и сколько гигаватт-часов энергии сбережено благодаря тому, что компьютеры создают нам удобный виртуальный мир. Вместо офисных столов и папок с документами мы используем виртуальные рабочие столы и папки на экранах компьютеров. Миллионы людей в масштабах страны работают на компьютерах в домашних офисах, а значит, не построены и не потребляют электрической и тепловой энергии офисные здания площадью в десятки миллионов квадратных метров со всей требуемой им инфраструктурой. А сколько энергии мы сберегаем благодаря тому, что пользуемся электронной почтой взамен бумажной!

Вместо проигрывателей виниловых пластинок и плёночных кинопроекторов мы давно уже применяем программные плееры. Из городов уже давно исчезли отделения телеграфа, справочные киоски и телефоны-автоматы. Некоторые розничные сети целиком переместились в Интернет. Быстро сокращается число фотолабораторий и магазинов, торгующих музыкальными и видеозаписями. Тиражи книг, энциклопедий и карт обрушились в десятки раз. И всё это благодаря компьютерам и системам связи.

Ключевой момент

Примерно до 2005 г. можно было считать, что исчезновение некоторых потребителей вполне компенсируется лавинным ростом энергопотребления самих компьютеров. Однако с тех пор этот рост затормозился. Во-первых, произошло насыщение рынка компьютерами. Во-вторых, получили широкое распространение ноутбуки, которые не только сами потребляют меньше, но и многим пользователям заменяют сразу два настольных компьютера - на работе и дома. В-третьих, стали развиваться технологии программной виртуализации, благодаря которым один новый сервер на предприятии заменяет сразу десятки старых. А сегодня, сами знаете, ноутбуки уже выходят из моды, публика выбирает ещё более энергоэкономичные планшеты.

Закон Мура в действии

2005-й год мы назвали не случайно. До него в компьютерной индустрии шла гонка за увеличение тактовой частоты микропроцессоров, которые потребляли всё больше и больше энергии. Упёршись в физический предел - невозможность эффективно отводить тепло от кремниевого кристалла, - изготовители микропроцессоров стали наращивать число вычислительных ядер в них. В этот момент закон Мура был уточнён. Подтверждено, что с тех пор экспоненциально растёт не только число транзисторов на кристалле, но и производительность процессоров в пересчёте на ватт потребляемой мощности. И этот факт, по нашему мнению, обещает нам ускоренное погружение в виртуальные миры, а с ним - изменения на энергетических рынках.

Смена парадигмы

В прошлом веке однозначным показателем прогресса в народном хозяйстве была энерговооружённость его работников. Справедливо считали, что чем большая мощность машин и механизмов имеется в распоряжении человека, тем больше он может сделать за рабочую смену. Сегодня оперируют таким понятием, как энергозатраты на единицу ВВП. Конечно, следует учитывать, что рабочие места бывают разные. Один человек сидит в офисе за ноутбуком и совершает многомиллионные сделки через Интернет. Для обеспечения рабочего места финансиста достаточно нескольких сотен ватт электрической мощности. Другой человек, скажем, электросварщик на судоверфи, расходует гораздо большую электрическую мощность, но при этом вносит гораздо меньший вклад в валовый национальный продукт.

Немного отвлекаясь от темы, отметим, что быстрое падение энергозатрат на единицу ВВП, случившееся в странах Запада примерно 15-20 лет назад, было связано не столько с реальным повышением энергоэффективности промышленного производства, сколько со структурной перестройкой экономики. Западная промышленность «переезжала» в Китай и другие развивающиеся страны, а сам Запад переходил на рельсы постиндустриальной экономики. Неудивительно, что в 2010 г. Поднебесная обогнала США по потреблению первичных энергоресурсов, хотя ВВП Китая на тот момент отставал от американского в два раза. И зря мы сетуем на безнадёжное отставание России от стран Запада по показателю энергоёмкости ВВП, ругаем себя и посыпаем голову пеплом. Просто у нас другая структура народного хозяйства.

Возвращаясь к вопросу парадигмы развития, отметим, что недавно появился действенный механизм снижения энергозатрат на производстве. Это технологии 3D-печати, о которых мы писали в прошлом и позапрошлом выпусках «Энерговектора». В отличие от традиционных субтрактивных производств, где от заготовки отсекается всё лишнее (а потому возникает много отходов), аддитивные позволят резко повысить энергоэффективность в обрабатывающей промышленности. Тем более что заодно можно будет получить синергетический эффект на транспортировке - вместо деталей машин и механизмов, которые нам сегодня приходится заказывать в других городах и странах, будут через Интернет пересылаться их модельные описания. Местное производство запчастей также поспособствует сокращению складских площадей и энергозатрат на их поддержание.

Не ждали?

В английском языке есть термин "disruptive technologies" - «подрывные технологии». Например, сотовые сети всего лет за пять подорвали монополию традиционных телефонных компаний. Ещё 20 лет назад, казалось, ничто не предвещало им острой конкуренции с сотовыми операторами. Возможно ли нечто подобное по отношению к электрическим сетям? Пока маловероятно, но уже слышны некоторые тревожные «звоночки». Во-первых, это огромные вложения, которые делаются сегодня во всём мире в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию аккумуляторов новых видов. Представьте, что произошёл технологический прорыв и теперь каждый человек может носить с собой аккумулятор, обеспечивающий ему суточную потребность в электроэнергии. После этого распределительные сетевые компании оказываются в неловком положении. Потому что, например, малые предприятия смогут, не подключаясь ни к каким сетям, просить своих сотрудников приносить из дома заряженные аккумуляторы. Кстати, уже сегодня вполне реально небольшой офис запитать от электромобиля.

Возможно, появятся службы доставки заряженных аккумуляторов - примерно такие, какие привозят в наши офисы бутыли с питьевой водой. Возможна доставка клиентам ионной жидкости, которая будет служить электролитом в проточных аккумуляторах. Вариантов много.

Например, в Объединённом институте высоких температур РАН создана энергоустановка на основе воздушно-алюминиевого электрохимического генератора (см. «Энерговектор», №1/2014, с. 12). В ней расходуются алюминиевые пластины и щелочной электролит. Научные работы в институте ведутся в двух направлениях: применительно к электротранспорту и мобильным энергетическим установкам, которые предполагается размещать на стройках, в лагерях геологоразведки, площадках научных исследований и т. д. При широком распространении подобных систем в игру на электроэнергетическом рынке косвенно войдут алюминиевые заводы и химические предприятия.

Во-вторых, стремительно развивается распределённая генерация. Мы уже писали в «Энерговекторе» о немецком проекте Callux по установке в частных домах микроТЭЦ на топливных элементах (см. № 9/2014, с. 12). Уж коли немец отапливает свой дом природным газом, почему бы ему не делать это эффективнее, заодно вырабатывая электроэнергию для своего хозяйства? То есть благодаря новым технологиям хорошо развитые газораспределительные сети смогут в какой-то степени составить конкуренцию электрическим.

В-третьих, в продаже уже появились гаджеты и даже электромобили, заряжаемые без проводов. Проводятся эксперименты по питанию беспилотных летательных аппаратов инфракрасным лазерным лучом. Сейчас кажется маловероятным, что кто-то реально сможет потеснить на рынке распределительные сетевые компании, но кто мог предугадать историю с проводной телефонией?

* * *

Таким образом, классические централизованные электроэнергетические системы, по всей вероятности, в ближайшие десятилетия столкнутся с нетрадиционной конкуренцией в сферах малой генерации и распределения электроэнергии, а также с сокращением общего спроса на электроэнергию, если, конечно, на дороги не выедут миллионы электромобилей.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы